¿Por qué es tan común el uso de la fuerza de cola hacia abajo?

Si fuera tan sencillo...

Para lograr una estabilidad longitudinal natural (la aeronave se mantiene a la velocidad reducida, incluso después de perturbaciones como ráfagas), las superficies de sustentación traseras deben tener una sustentación por área más baja que las superficies delanteras. ¿Por qué? En una ráfaga, el ángulo de ataque de la aeronave cambia en todas las superficies casi al mismo tiempo. Al tener menos sustentación por área, el aumento de sustentación relativo debido a un aumento en el ángulo de ataque es mayor para las superficies traseras, por lo que ahora obtienen un aumento de sustentación relativamente mayor que las superficies delanteras. Esto crea un desequilibrio que levanta la cola, hasta que se alcanza de nuevo el antiguo ángulo de ataque (y, en consecuencia, la antigua velocidad).

Una carga de cola negativa es un signo de alta estabilidad. Esto crea más resistencia, pero le permite al piloto quitar las manos de la palanca, leer sus mapas, revisar algo o tomar una taza de té. Pero su efecto sobre la resistencia inducida en realidad puede ser útil. Puede que te sorprendas, ¡así que ten paciencia conmigo!

¿Qué es la resistencia inducida, de todos modos? Es la consecuencia de crear sustentación en un tramo limitado. El ala crea sustentación al desviar el aire hacia abajo. Esto sucede gradualmente sobre la cuerda del ala y crea una fuerza de reacción ortogonalmente a la velocidad local del aire. Esto significa que la fuerza de reacción apunta hacia arriba y ligeramente hacia atrás. ¡Este componente hacia atrás es arrastre inducido! La distribución longitudinal de las superficies que realizan la desviación hacia abajo es de poca importancia (para una explicación muy técnica: Ver aquí, donde hablan sobre el avión Treffz): Si tiene un ala canard muy cargada, su corriente descendente golpeará el ala eventualmente, creando una gran cantidad de sustentación inclinada hacia atrás allí. El canard por sí solo no causará tanta resistencia inducida, pero estropeará el flujo de aire sobre el ala. Detrás del avión, no importa si vuela un canard o una configuración convencional, lo que importa es cuánto espacio distribuye la creación de sustentación (para una cantidad constante de sustentación a una velocidad dada).

Probablemente sepa que una distribución elíptica de circulación sobre la envergadura produce la menor resistencia inducida. Ahora imagina que tu ala tiene una distribución más triangular que elíptica. La sustentación hacia abajo en la cola reducirá esta joroba de sustentación en el medio, haciendo que la distribución se acerque más a la distribución elíptica ideal detrás de todo el avión. ¡El arrastre inducido de todo el avión se reduce por la cola!

Otra explicación: dado que el ala crea una fuerte corriente descendente en su centro, la cola vuela en un flujo de aire que apunta ligeramente hacia abajo. La sustentación negativa allí (que es aproximadamente ortogonal al flujo de aire local) en realidad apuntará ligeramente hacia adelante, por lo que su cola cargada negativamente produce una pequeña cantidad de empuje.

Negro: fuerza total, azul: elevación, rojo: arrastre

Y si cree que una distribución de elevación triangular es inusual, lea este informe NACA de RT Jones . Tiene en cuenta el peso del ala, y esto cambia la imagen de cómo debería verse la distribución de sustentación para una resistencia mínima inducida.

Sí, el primer vuelo motorizado de ala fija exitoso de los hermanos Wright usó un diseño canard, entonces, ¿por qué desapareció este diseño en favor del avión de cola convencional?

Fuente de imagen

La superficie canard perturba la corriente de aire sobre el ala principal. El canard acoplado largo coloca el avión delantero a una distancia considerable del ala principal, para reducir la interferencia mutua. Torenbeek cita los siguientes problemas de diseño para esta configuración:

• Para lograr un rango aceptable para el centro de gravedad, el plano delantero debe ser capaz de producir un coeficiente de sustentación máximo más alto que el ala principal. En general, esto solo se puede lograr cuando el ala principal posee una relación de aspecto baja. El avión delantero debe estar provisto de un sofisticado sistema de flaps.
• Los vórtices de arrastre del plano delantero afectan el flujo sobre el ala y establecerán un momento de balanceo en un deslizamiento lateral. Los vórtices también pueden golpear la aleta.

El diseño canard tiene la ventaja de que proporciona un momento aerodinámico de morro arriba con sustentación positiva: ayuda a levantar el avión y, si entra en pérdida, el morro bajará, corrigiendo automáticamente la situación de pérdida. La desventaja del diseño es: en ángulos de ataque altos, el ala canard proporciona una gran fuerza de sustentación y siempre está más cerca de entrar en pérdida que el ala principal. Eso dejaría sin usar una gran parte de la capacidad de elevación del ala principal a bajas velocidades.

Por lo tanto, el diseño canard parece ser particularmente adecuado para aeronaves transsónicas y supersónicas: las aeronaves convencionales con una superficie horizontal en la cola también pueden navegar con una carga de cola positiva y tienen la ventaja de un flujo limpio sobre el ala principal más un gran rango de CdG.

La idea de ejercer fuerza sobre algo que está tratando de levantar inicialmente no suena bien en absoluto, pero mirar más de cerca revela la verdadera función de la puñalada H correctamente diseñada, para establecer el ala en su ángulo de ataque más eficiente mientras la puñalada H está en (menor arrastre) 0 AOA!

Todos sabemos que un ala es más eficiente que dos. Realmente no tiene sentido cargar positiva o negativamente el estabilizador horizontal para una eficiencia de crucero óptima. El punto de diseño en un AOA de ala de crucero de eficiencia óptima sería Clift directamente sobre CG.

El H stab, con un AOA cero, estaría haciendo su trabajo manteniéndolo ahí, con suficiente trimado y autoridad de profundidad para manejar otras situaciones.

El beneficio adicional de una puñalada H trasera es que ayuda a la estabilidad direccional y ayuda a bajar la nariz si el avión se está hundiendo.

Beto